Methodische Analyse betriebsbeanspruchter Reibpartner mit charakteristischen Verschleißerscheinungen zwecks Erweiterung der Erkenntnisse über die Verschleißmechanismen metallischer Werkstoffe PDF
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FORSCHUNGSBERICHT DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN Nr. 2758/Fachgruppe Maschinenbau/Verfahrenstechnik Herausgegeben im Auftrage des Ministerprasidenten Heinz Kuhn vom Minister fUr Wissenschaft und Forschung Johannes Rau Prof. Dr. -lng. Josef Broichhausen Dipl. -lng. Karl-Wolfgang Krummel Abteilung fUr Werkstofftechnik im Institut fUr Werkstoffkunde der Rhein. -Westf. Techn. Hochschule Aachen Methodische Analyse betriebsbeanspruchter Reibpartner mit charakt e ristis chen Ve rs chleiBers cheinungen zwecks Erweiterung der Erkenntnisse uber die VerschleiBmechanismen metallischer Werkstoffe Westdeutscher Verlag 1978 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Broichhausen, Jose~: Methodische Analyse betriebsbeanspruchter Reibpartner mit charakteristischen Verschleiss erscheinungen zwecks Erweiterung der Erkenntnisse Uber die Verschleissmechanismen metallischer Werkstoffe / von Josef Broichhausen u. Karl Wolfgang KrUmmel. - 1. Aufl. - Opladen : West deutscher Verlag, 1978. (Forschungsberichte des Landes Nordrhein Westfalen ; Nr. 2758 : Fachgruppe Maschinen bau, Verfahrenstechnik) ISBN-13: 978-3-531-02758-6 e-ISBN-13: 978-3-322-8f417-6 001: 10,1007/978-3-322-88417-6 NE: KrUmmel, Karl-Wolfgang: © 1978 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag Inhalt Vorworl 3 I. Abgrenzung des Themas, Ziele 5 2. Vorgehensweise tribologischer Untersuchungen betriebs- beanspruchter Reibpartner 6 2.1 Grundsatzliche Einschrankung der Anwendung von Simulationsversuchen 6 2.2 Schadensanalysen tribotechnischer Systeme 7 3. Tribosystem Kreiskolben - Dichtleiste - Schmierfilm - Trochoidenlaufflache eines Wankelmotors 8 3.1 Abgrenzung, Hauptelemente und technische Funktion des Systems 8 3. 2 Ve rschleii3p robl ern 8 3.3 Untersuchungsmaterial 9 3.4 Makroskopisches Verschleii3bild 10 3.5 Untersuchungsplan 12 3.6 Formgroi3en der Bauteile 13 3.6.1 Trochoidenmantel 13 3.6.2 Dichtleisten 15 3. 7 Beanspruchungskollektiv 16 3.7.1 Bewegungsform und Kinematik der Dichtleiste 16 3.7. 1 . 1 Lage der B erlihrlinie Dichtleiste - Trochoidenlaufbahn 17 3.7.1.2 Bewegungsmoglichkeiten des Dicht- leistenmittelteils (Freiheitsgrade) 20 3. 7. 1.3 Gleitgeschwindigkeit der Dichtleiste 20 3.7.2 Mechanische Beanspruchungen 22 3.7.2.1 Krafteverteilung auf der Trochoide 25 3.7.2.2 Krafteverteilung auf der Dichtleiste 25 3.7.2.3 Krafteverteilung bei realer Geometrie 25 3.7.3 Thermische und chemische Beanspruchungen 26 3. 8 Probenjustage und Probenentnahme 27 Sondervorrichtungen zur Probenjustage 27 Sondervorrichtungen zur Probenentnahme 27 Probenentnahmeplan, Trochoidenteilproben 28 3.9 Verschleii3kenngroi3en in zugeordneten Kontaktbe - 28 reichen 3.9.1 Verschleii3erscheinungsformen 28 3.9. I. 1 Makroskopische Ve rschleii3erschei- nungsformen 28 3.9. I. 2 Mikroskopische Verschleii3erschei- nungsformen 28 309.2 Verschleii3betrage 33 - 2 - 3.9.2.1 Lineare Verschlei13geschwindigkeiten 33 3.9.2.2 Verschlei13 - Gleitweg - Verhaltnis (VGV) 37 3.10 Struktur des Tribosystems 40 3.10.1 Elemente und Untersysteme 40 3. 10. 2 Eigenschaften der Elemente 41 3.10.2.1 Volum·eneigenschaften von Grund- und Gegenkorper 42 3.10.2.2 Oberflacheneigenschaften von Grund- und Gegenkorper 44 3.10.3 Wechselwirkungen der Elemente 50 3.10.3.1 Kontaktzustand 51 3.10.3.2 Reibungszustand 57 3.10.3.3 Verschlei13mechanismen 60 4. Schlu13folgerungen, Ausblick 61 Anmerkungen 63 Literatur 64 Bildanhang 67 - 3 - Vorwort Bei tribologischen Untersuchungen an realen Maschinenelementen ist im allgemeinen zu erwarten, daB in dem BemUhen, relevante Einflullparame ter moglichst vollsUindig zu erfassen, die eigenen Analysen wie auch die begleitende Literaturrecherche erheblichen Umfang annehmen kOnnen. Dies ergab sich ebenfalls beim vorliegenden Forschungsprojekt. 1m Sinne einer Uberschaubaren Berichterstattung wird deshalb hinsichtlich der all gemeinen Problematik und der Grundlagen tribologischer Untersuchungen auf einschlagige Fachliteratur und /1/ verwiesen. 1m folgenden werden vorwiegend die Erfahrungen und Ergebnisse eigener Analysen an einem realen tribotechnischen System dargestellt. - 5 - 1. Abgrenzung des The:mas, Ziele Besti:m:mte Merk:male wie die Verschleil3erscheinungsfor:m konnen wesent liche Hinweise auf den Verschleil3zustand und fur die Opti:mierung der tribotechnischen Ele:mente einer Maschine geben, schon bevor Funktions untuchtigkeit der Bauteile durch Verschleil3beanspruchungen eintritt /2/. Die Betrachtung der Verschleil3flachen ist de:mnach ein wichtiges Hilfs :mittel der Verschleil3analyse. Die Erscheinungsfor:men geben Auskunft, ob durch Storfaktoren andere Verschleil3arten oder andere Wirkungs:mechanis:men auftreten, die den erwarteten Verschleil3bedingungen uberlagert sind und die zunachst nicht vorhersehbar oder nicht zu vermeiden waren. Schlul3folgerungen von den Verschleil3erscheinungsformen auf die wirken den Verschleil3mechanis:men sind allerdings nicht eindeutig zu ziehen, wenn wesentliche Informationen uber Aufbau und Beanspruchungsbedingun gen des Tribosystems fehlen. Dieses Problem tritt verstarkt auf bei der Untersuchung betriebsbean spruchter technischer Tribosysteme, die komplexen Einflussen und Wir kungsmechanis:men unterworfen sind. Bei Verschleil3analysen von Schadensfallen treten daruber hinaus zusatz liche Probleme auf, die daraus resultieren, dal3 die schadhaften Teile :meist nur in geringer Zahl bzw. nur einmal vorliegen. Verschleil3simu lationsversuche, die zur weiteren Klarung beitragen konnen, sind aus :mel3technischen Griinden, Zeit- und Kostengriinden nicht i:mmer moglich. In eine:m solchen Fall ist ausgehend von den festgestellten Verschleil3er scheinungsfor:men eine systematische Analyse des gesa:mten Tribosystems und seiner U:mgebung einschliel3lich des Belastungskollektivs und der Her stellungslegende durchzufiihren. DarUber hinaus sind eigene tribotechni sche Erfahrungen, die an ahnlichen Tribosyste:men mit vergleichbaren Beanspruchungsbedingungen gewonnen wurden, und tribologische Erkennt nisse aus einschlagigen Veroffentlichungen zu nutzen. Dazu ist eine systemtechnisch orientierte Untersuchungsmethodik und die entsprechende Aufbereitung vorhandener Erkenntnisse erforderlich. Zur systemtechnischen Untersuchungsmethodik der Schadensanalyse im allgemeinen und speziell auch zur Verschleil3analyse wurden innerhalb der letzten drei Jahre in zunehmendem Mal3e Beitrage veroffentlicht (z. B. /3/, /4/, /5/, /6/). Seit November 1976 steht der vorerst noch unver bindliche Nor:menentwurf DIN 50320 E als Orientierungsvorschlag fUr Ver schleil3analysen zur VerfUgung. Entsprechende Richtlinien fur Untersuchungs:methodiken und fUr konkrete Vorgehensschritte von Schadensanalysen betriebsbeanspruchter tribo technischer Bauelemente sind bisher jedoch noch nicht bekannt. Die Ana lyse derartig komplexer Verschleil3schaden erfordert in den Detailunter suchungen eine Anpassung der Untersuchungsmethoden und -verfahren an die speziellen Problemstellungen, so dal3 ihrer weitgehenden Vereinheit lichung Grenzen gesetzt sind. Es kann i:m folgenden nur versucht werden, das Grundraster einer Unter suchungsmethodik darzustellen, die fUr spezielle betriebsbeanspruchte - 6 - Reibpartner mit metallischen Grundwerkstoffen und charakteristischen Verschlei13erscheinungen zweckm:t13ig ist. An einem Tribosystem, z. B. Kreiskolben - Dichtleiste - Schmierfilm - Trochoidenlaufflache des Wankelmotors KKM6l2 (K-D-S-T), sollen die Anwendung dieser Methodik und die erarbeiteten Kenntnisse uber die Verschlei13mechanismen metallischer Werkstoffe dargestellt werden o 2. Vorgehensweise tribologischer Untersuchungen betriebsbeanspruchter Reibpartner 2.1 Grundsatzliche Einschrankung der Anwendung von Simulationsver suchen Verschlei13systeme kann man unter physikalischer Annaherung anhand von Modellversuchen oder unter technischer Annaherung mit Hilfe von Simu lationsversuchen von Bauteilen, Baugruppen, Teilanlagen oder schlie13- lich im Rahmen von Praxisversuchen an gesamten technischen Anlagen untersuchen. Yom Modell- bis zum Praxisversuch nimmt die Betriebstreue bezuglich Aufbau und Beanspruchungen des Verschlei13systems zu. 1m gleichen Sinn wachst auch die Uebereinstimmung der in den Versuchen ermittelten Kenngro13en (wie Lebensdauer) mit den realen im Betrieb wirksamen Pa rametern. Gleichzeitig nimmt aber auch der Versuchsaufwand zu. Die direkten Untersuchungsmoglichkeiten uber die tatsachlichen Vorgange in der Reibkontaktzone nehmen andererseits mit zunehmender Betriebs treue ab, da die Reibstelle me13technisch unzuganglicher wird. Die Beob achtung der Kontaktzone wahrend der Beanspruchungen ist jedoch fUr die Erforschung von Reibungs- und Verschlei13gesetzma13igkeiten unerla13lich /7/. Derartige Beobachtungsmoglichkeiten sind annahernd nur innerhalb von Modell- und Bauteilversuchen unter Eingrenzung der au13erordentlichen Vielfalt tribologischer Einflusse zu erreichen. Diese Eingrenzung der Einflusse und eine zweckma13ige Versuchsplanung setzt hinreichende Kenntnisse uber das gesamte tribologische System und seine B eanspruchungen voraus. Je komplexer die Struktur und das Beanspruchungskollektiv eines Tribo systems sind, um so problematischer wird die Vernachlassigung bzw. Abschirmung von tribologischen Einflussen. In den Oberflachenschichten tribotechnischer Bauteile konnen Reaktions mechanismen auftreten, durch die die Eigenschaften der Mikro-Werkstoff struktur durch sogenannte irreversible kUITlulative Schwellenwerte (z. B. Energieniveaus) /8/ entscheidend verandert werden (Phasenumwandlung etc.), vgl. Bild 1. Die dadurch geanderten Verschlei13mechanismen werden in vereinfachten Verschlei13simulationsversuchen nicht berucksichtigt. Auch die zeitliche Komprimierung der Beanspruchungsbedingungen in "Kurzzeittests" ist wegen der Verfalschung der Reaktionsmechanismen nicht ohne weiteres zulassig; zur Annaherung der realen Tribobedingungen sind aufwendige Randomversuche erforderlich, bei denen jedoch alle wesentlichen Para meter schon bekannt sein mussen. Wie weit die Annaherung reichen mIJ13, kann nur durch tribologische Analysen an realen tribotechnischen Syste men bestimmt werden. - 7 - 2.2 Schadensanalysen tribotechnischer Systeme Die EinflullgrOllen und Verschleil3mechanismen realer betriebsbean spruchter tribotechnischer Systeme kOnnen nur im Rahmen einer System analyse erfal3t und nach ihrer Bedeutung abgestuft werden. Diese Analysen sind i.a. auch dann nach einer Methode der systematischen Schadensun tersuchung durchzufUhren, wenn der Verschleil3 noch nicht zum Funk tionsversagen der Bauteile gefUhrt hat. Es kOnnen aus bewul3ter oder unbewul3ter Fehlinformation oder aus un vollst~ndigen Informationen z. B. tiber Einsatz und Herstellungslegende der Bauteile bei der Kl~rung von Verschleil3ursachen und Mechanismen erhebliche Probleme entstehen. Diese sind nur mittels systemanalytisch orientierten Schadensuntersuchungen zu losen. Die Grundschritte eines Ablaufschemas ftir derartige Untersuchungen bleiben im wesentlichen immer erhalten, wahrend die Detailschritte auf die konkreten Tribosysteme abgestimmt werden mussen. In Anlehnung an die VerOffentlichungen /3, 4, 5, 6/ ist es zweckmal3ig, nach einem netzplantechnisch orientierten Schema wie in Bild 2 vorzu gehen. Fur die Entscheidung, welche Informationen benotigt werden, welches Untersuchungsmaterial und welche Teilproben ausgewahlt werden mtis- sen und welche Zielsetzungen die gesamte und auch die Teiluntersuchun gen verfolgen sollen, ist die Nutzung eines Schemas der Standard-System analyse tribotechnischer Systeme nach DIN 50320 E dienlich, Bild 3 - 6. Die Systemanalyse mul3te zur Erfassung eines Verschleil3vorgangs fur die Momentanzustande im Anfang, zu mehreren Zeitpunkten des Betriebes und fur den Endzustand durchgefiihrt werden. In der Praxis ist jedoch i. a. nur noch der Endzustand festzustellen. Der Anfangszustand kann haufig nur an gleichen Systemen derselben Bauserie untersucht werden. 1m allgemeinen ist es schon aus zeitlichen Grunden nicht moglich, samt liche Einflul3parameter bei jeder Analyse zu untersuchen. 1m Sinne eines Flul3diagramms ist die Verknupfung der Einflul3faktoren, die in einer Uebersicht fUr Reibung und Verschlei13 schon von Groger und Kobold /9/ nebeneinander aufgelistet wurden, wegen der haufig vorliegenden nicht linearen Superpositionsbedingungen problematisch. Die Verknupfungsbedingungen mussen im einzelnen fur den jeweiligen tri bologischen Fall festgestellt werden. Trotz dieser Problematik sind die Uebersichten, wie sie auch fur die Standard-Systemanalyse dargestellt werden konnen, eine wesentliche Hil fe fur systematische Recherchen auch hinsichtlich einschlagiger Litera tur. Aul3erdem sind sie in Verbindung mit Klassifizierungskennummern fur die einzelnen Parameter, wie sie z. B. von Habig und Czichos /10/ vor geschlagen wurden, ein Schritt auf dem Weg zur EDV -Dokumentation der Ergebnisse von Verschleil3analysen, Bild 7. Aus diesen Griinden wurden bei den eigenen Untersuchungen die genannten Schemata benutzt und erweitert. - S - 3. Tribosystem Kreiskolben - Dichtleiste - Schmierfilm - Trochoiden- lauffHi.che eines Wankelmotors 3.1 Abgrenzung, Hauptelemente und technische Funktion des Tribosystems Das Ubergeordnete System (Maschine) ist ein Wankel-Kreisko1benmotor KKM 612, der normalerweise in einem PKW vom Typ RO SO/Audi-NSU eingebaut ist, im vorliegenden Fall jedoch auf einem PrUfstand a1s Ver suchsmotor betrieben wurde, Bild S. FUr die Abgrenzung des Systems Kreiskolben - Dichtleiste - Schmierfilm Trochoidenlaufbahn (K-D-S-T) und seines besonders interessierenden Un tersystems Dichtleiste - Schmierfilm - Trochoiden1aufbahn (D-S-T) wur den Konstruktionsunterlagen aus einschHi.giger Literatur zugrunde gelegt, die zugleich eine Definition der Bauteile gestatten, Bild 9 bis 13. Hauptelemente des Tribosystems: Das (K-D-S-T)-System besteht aus mehreren tribo1ogischen Untersyste men, die ihrerseits ebenfalls Untersysteme entha1ten. Die fUr die anstehenden Verschlei13prob1eme bedeutendsten Triboe1emente des (D-S-T)-Systems sind - Dichtleiste "Grundkorper" (1) (bei Gliederleiste des Mitte1teils) - Trochoiden1aufbahn " Gegenkorper" (2) (T rochoidenmante1) - Schmierfilm " Zwischenmedium" (3) - Verbrennungsgas, Luft "Umgebungs medium' , (4) Technische Funktion des Tribosystems (D-S-T) Unter selbsttatiger, betriebsabhangiger Einstellung hat das System Dicht- 1eiste - Schmierfilm - Trochoiden1aufbahn (D-S-T) die Funktion der radia len A bdichtung aufeinander fo1gender A rbeitskammern an den Ko1benecken des Kreisko1benmotors (Bild 14) /12/. 3.2 Versch1ei13problem Bei der Entwicklung des Wanke1motors stellte der Versch1ei13 der Dicht- 1eisten an den Ecken des Kreiskolbens eines der Hauptprobleme dar. Ob woh1 es heute einige Werksto££paarungen wie z. B. Ferrotic - Nikasil gibt, die in hohem Ma13e auf empirischem Wege entwickelt wurden, bis sie den Anforderungen gerecht wurden, werden aus viel£altigen GrUnden versuchs weise auch noch andere Dichtleistenwerksto££e eingesetzt. Unter anderem wurde einer dieser Werkstofie, eine Fe-Sondergu13legierung, auch in der Massenfertigung bei der Produktion des RO SO PKW -Motors bis vor kur zem verwendet. FUr Neuentwicklungen gro13erer Wanke1motoren sind wie der Ferrotic-Dichtleistenwerkstoffe vorgesehen. Da aber die Kenntnisse Uber die gesamten Verschlei13vorgange und -mechanismen des Radia1- Dichtsystems nach wie vor unbefriedigend sind und Aenderungen der Schrnier- und Kraftstoffzusatze info1ge verscharfter Umweltschutzbedin gungen erneute Legierungsanderungen bzw. Werkstoffsubstitutionen er zwingen konnten, sind aIle BemUhungen darauf zu richten, die bisherigen Erfahrungen mit Dichtleistenwerkstoffen systematisch auf Versch1ei13 hin auszuwerten.
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